力傳感器第一節(jié)彈性敏感元件彈性敏感元件可以把力或壓力轉換成應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉換成電信號。彈性敏感元件應具有良好的彈性、足夠的精度，應保證長期使用和溫度變化的穩(wěn)定性。一、彈性敏感元件的結構特性1.剛度2.靈敏度3.彈性滯后4.彈性后效5.固有振蕩頻率二、彈性敏感元件的分類彈性敏感元件在形式上可分為兩大類，一類將物體間的一般相互作用力轉換為應變或位移，另一類則專門用于流體壓力的轉換。1.變換一般作用力的彈性敏感元件如圖所示為常見的幾種變換力的彈性敏感元件結構。變換力的彈性敏感元件形狀二、彈性敏感元件的分類2.變換流體壓力的彈性敏感元件這類彈性敏感元件常見的有彈簧管、波紋管、波紋膜片、膜盒和薄壁圓筒等。它可以把流體產生的壓力變換成位移量輸出。（1）彈簧管彈簧管又叫布爾登管，它是彎成各種形狀的空心管，但使用最多的是C形薄壁空心管，管子的截面形狀有許多種，如圖所示。二、彈性敏感元件的分類使用彈簧管注意以下兩點：①靜止壓力測量時，不得高于最高標稱壓力的2/3；變動壓力測量時，要低于最高標稱壓力的1/2；②對于腐蝕性流體等特殊測量對象，要了解彈簧管使用的材料能否滿足使用要求。

彈簧管結構

二、彈性敏感元件的分類（2）波紋管波紋管是由許多同心圓環(huán)狀皺紋的薄壁圓管構成，如圖所示。波紋管可以將壓力轉換成位移量，主要用做測量和控制壓力的彈性敏感元件，由于其靈敏度高，在小壓力和壓差測量中使用較多。波紋管的外形二、彈性敏感元件的分類（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力的作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)形同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。其波紋形狀有正弦形、梯形和鋸齒形，如圖5-6所示。波紋膜片波紋形狀二、彈性敏感元件的分類（4）薄壁圓筒薄壁圓筒彈性敏感元件的結構如圖所示。當筒內腔受流體壓力時，筒壁的軸線方向產生拉伸力和應變。薄壁圓筒彈性敏感元件的結構力傳感器第二節(jié)電阻應變片式力傳感器電阻應變片（簡稱應變片）傳感器的作用是利用電阻應變片（或彈性敏感元件）將應變或應變力轉換為電阻的傳感器，其核心是電阻應變片。電阻應變片傳感器由電阻應變片和測量電路兩大部分組成。一、電位器式位移傳感器1.工作原理電阻應變片的典型結構如圖所示。1-引線；2-覆蓋層；3-基片；4-電阻絲式敏感柵金屬電阻應變片結構一、電位器式位移傳感器把應變片粘貼于所需測量變形物體表面，敏感柵隨被測體表面變形而使電阻值改變，測量電阻的變化量可得知變形大小。由于應變片具有體積小、使用簡便、測量靈敏度高，可進行動、靜態(tài)測量，精度負荷要求，因此廣泛應用于力、壓力、力矩、位移等物理量的測量。電阻應變片式傳感器是利用了金屬盒半導體材料的“應變效應”。金屬盒半導體材料的電阻值隨它承受機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變效應”。二、應變片的結構類型、形式1.應變片的結構類型常用的電阻應變片有兩大類，即金屬電阻應變片和半導體應變片。前者可分為金屬絲式、箔式、薄膜式三種。如圖所示為幾種不同類型的電阻應變片示意圖。電阻應變片的結構二、應變片的結構類型、形式2、電阻應變片的主要參數(shù)（1）應變片的電阻值（R0）（2）絕緣電阻值（R）（3）靈敏度系數(shù)（K）（4）機械滯后（5）允許電流（6）應變極限（7）零漂和蠕變二、應變片的結構類型、形式3.應變片的粘貼工藝應變片是通過粘合劑粘貼在試件上，粘貼質量直接影響應變測量的精度，必須十分注意。應變片的粘貼工藝如下：（1）應變片的檢查與選擇首先要對采用的應變片進行外觀檢查，觀察應變片的敏感柵是否整齊、均勻，是否有銹斑及短路和折彎等現(xiàn)象；其次要對選用的應變片的阻值進行測量，阻值選取合適將對傳感器的平衡調整帶來方便。二、應變片的結構類型、形式（2）試件的表面處理為了獲得良好的黏合強度，必須對試件表面進行處理，清除試件表面雜質、油污及疏松層等。一般的處理辦法可采用砂紙打磨，較好的處理方法是采用無油噴砂法，這樣不但能得到比拋光更大的面積，而且可以獲得質量均勻的結構。為了表面的清潔，可用化學清洗劑（如氯化碳、丙酮、甲苯等）進行反復清洗，也可采用超聲波清洗。值得注意的是，為了避免氧化，應變片的粘貼應盡快進行。如果不立刻貼片，可涂上一層凡士林暫作保護。（3）底層處理為了保證應變片能牢固的貼在試件上，并具有足夠的絕緣電阻，改善膠接性能，可在粘貼位置涂上一層底膠。二、應變片的結構類型、形式（4）貼片在應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，在試件上按照測量要求畫出中心線。要求精密時可用光學投影的方法來確定位置。確定好位置后，將應變片對準劃線位置迅速貼上，然后蓋一層玻璃紙，用手指或膠輥加壓，擠出氣泡及多余的膠水，保證膠層盡可能薄且均勻，加壓時注意防止應變片錯位。（5）固化黏合劑的固化是否完全，直接影響到膠的物理學性能。關鍵是要掌握好溫度、時間和循環(huán)周期。無論是自然干燥還是加熱固化，都要嚴格按照工業(yè)規(guī)范進行。為了防止強度降低、絕緣破壞及電化腐蝕，在固化后的應變片應涂上防潮保護層，防潮層一般可采用稀釋的黏合膠。二、應變片的結構類型、形式（6）粘貼質量檢查首先從外觀上檢查粘貼位置是否正確，黏合層是否有氣泡、漏黏、破損等；然后是測量應變片敏感柵是否有斷路或短路現(xiàn)象以及測量敏感柵的絕緣電阻。（7）引線焊接與組橋連線檢查合格后即可焊接引出導線，引線應適當加以固定。應變片之間通過粗細合適的漆包線連接組成橋路。連接長度應盡量一致，且不宜過多。三、測量轉換電路及應用1.電阻應變片式傳感器的測量電路電阻應變式傳感器應變電阻的變化是及其微弱的，通常采用惠斯通電橋電路進行測量，將電阻相對變化△R/R轉換為電壓或電流的變化，再用測量儀表或電阻應變式傳感器專用測量電路便可以簡單方便地進行測量。惠斯通電橋如圖所示。三、測量轉換電路及應用在測量電路中，應變片接入電橋可以有以下幾種形式：（1）單臂半橋電路如圖所示，R1為應變片，其余各橋臂電阻為固定電阻，稱為單臂半橋電橋電路。單臂半橋電橋電路

三、測量轉換電路及應用（2）雙臂半橋電橋電路如圖所示，在電橋中接入了兩片應變片，其余橋臂為固定電阻，稱為雙臂半橋電橋電路。這種電路可以有兩種接入方式。a)接入方式1；b)接入方式2

雙臂半橋電橋電路三、測量轉換電路及應用（3）全橋電路電橋的四壁全部接入應變片稱為全橋電路。若四片應變片完全相同，如圖5-15所示，其中R1、R4感應正應變；R2、R3感應負應變。這種情況下，應變所產生的輸出電壓是單臂電橋應變片所產生電壓的4倍，靈敏度最高。此時應變片的溫度誤差和非線性誤差相互抵消，測量精度較高。力傳感器第三節(jié)壓電式力傳感器壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)的壓電效應為轉換原理的傳感器。它可以測量最終能變換為力的各種物理量，如力、壓力、加速度等。壓電傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、靈敏度和精度高等特點。壓電式傳感器在電聲學、生物醫(yī)學、工程力學等方面的應用越來越廣泛。一、壓電式傳感器工作原理1.壓電效應（1）正壓電效應（2）逆壓電效應利用逆壓電效應可制成多種超聲波發(fā)生器和壓電揚聲器。如圖所示是壓電效應的示意圖。壓電效應示意圖一、壓電式傳感器工作原理2.壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓電材料。（1）石英晶體（2）水溶性壓電晶體（3）鈮酸鋰晶體（4）壓電陶瓷1）鈦酸鋇壓電陶瓷2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷3)鈮酸鹽系壓電陶瓷（5）壓電半導體（6）高分子壓電材料一、壓電式傳感器工作原理3.壓電元件常用的結構形式在壓電傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。如圖所示。在以上兩種連接方式中，并聯(lián)法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。壓電元件的串、并聯(lián)一、壓電式傳感器工作原理4.壓電材料的選擇（1）具有較大的壓電常數(shù)。（2）壓電元件的機械強度高、剛度大并具有較高的固有振動頻率。（3）具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄露以及外部分布電容的影響，獲得良好的低頻特性。（4）具有較高的居里點。。（5）壓電材料的壓電特性不隨時間蛻變，有較好的時間穩(wěn)定性。二、壓電式傳感器測量電路1.壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電荷，且電荷相等，極性相反。因此，可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖a所示，也可以等效成一個電壓源，如圖b所示。a）電荷源；b）電壓源壓電傳感器的等效電路二、壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器與測量儀表連接，還必須考慮電纜電容Cc，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄露電阻Ra。如圖所示壓電式傳感器完整的等效電路。

壓電傳感器實際等效電路

二、壓電式傳感器測量電路2.壓電式傳感器的測量電路（1）電壓放大器壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如圖所示。壓電傳感器接電壓放大器的等效電路

二、壓電式傳感器測量電路（2）電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實際上是一個具有反饋電容的高增益運算放大器。如圖示是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。電荷放大器等效電路力傳感器第四節(jié)自感式力傳感器電感式傳感器的基本原理是電磁感應原理，利用線圈自感或互感量系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量的測量（如壓力、位移等），常用的有自感式和互感式兩類。一、自感式傳感器自感式傳感器實質上是一個帶鐵芯的線圈。它是基于機械變量變化會引起線圈回路磁阻的變化，從而導致電感量變化的這一物理現(xiàn)象制成的。1.變隙式傳感器如圖所示為自感式傳感器。1-線圈；2-鐵芯（定鐵芯）；3-銜鐵（動鐵芯）自感傳感器原理結構一、自感式傳感器在實際應用中，為了提高靈敏度，改善非線性，減弱和消除溫度變化、電源頻率變化及外界干擾等影響，常使用如圖所示的差動式結構。1-線圈；2-鐵心；3-銜鐵；4-導桿差動變隙式自感式傳感器一、自感式傳感器2.變截面積式電感傳感器對于上面的結構，在線圈匝數(shù)N確定后，若保持氣隙厚度為常數(shù)，則電感量L是氣隙有效截面積S的函數(shù)，故稱這種傳感器為變截面積式傳感器。3.螺線管式電感傳感器對于長螺線管，當銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺線管電感量的變化。當銜鐵工作在螺線管的中部時，可以認為線圈內磁場強度是均勻的，此時線圈電感量L與銜鐵插入深度大致成正比。這種傳感器結構簡單，制作容易，但靈敏度稍低，且銜鐵在螺線管中間部分工作時，才有希望獲得良好的線性關系。二、自感式傳感器測量電路電感式傳感器的測量轉換電路通常采用電橋電路，其作用是把電感的變化轉換為電壓或電流信號，以便送入后續(xù)放大電路進行放大。1.變壓器電橋電路交流電橋測量電路二、自感式傳感器測量電路2.變壓器式交流電橋1-上線圈特性；2-下線圈特性圖；3-L1、L2差接后的特性變壓器電橋電路力傳感器第五節(jié)其他類型的力傳感器位移是力的一個典型的作用效果，通常力和位移都存在著一定的對應關系，通過對位移的測量，就可以實現(xiàn)對力的測量。一、電位器式